對防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的設計研究

辛佰富

摘要：近些年來伴隨著永磁電機制造技術以及永磁材料制造水平的日益提升，永磁電機的主要制造工藝以及技術問題已經得到了有效的解決。為此，越來越多的企業與科研機構立志于永磁同步電機的研究工作，以此研究出更多新產品好適應于不同的應用場合。鑒于此本文筆者即在梳理了國內外學者以及相關工作人員對永磁電機的大量研究資料的基礎上，結合個人研究經驗，提出防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的設計研究，以供廣大同行參考借鑒。

關鍵詞：防爆型;永磁直驅三相同步電動機;電動機設計

前言：

因永磁同步電機本身的體積小，重量輕，噪音低，但效率卻相對較高等一系列的優點，使得其應用與發展前景都十分的廣泛。也正因如此，大力的推動與研究永磁同步電機則具有十分重要的現實意義。尤其是伴隨著近些年來能源消耗量的日益上漲，人們更加熱衷于選擇節能型的高效電機，以滿足需求的快速增加。而防爆型低速永磁直驅三相同步電動機，因其本身的可靠性較高、帶載能力較強，且具有節能減排的作用，在現代煤炭生產之中更是得到了日益廣泛的應用。鑒于此種情況筆者在查閱了大量相關參考文獻的前提下，結合已有的低速永磁直驅同步電機為例，對防爆型低速直驅永磁電機的設計思路展開進一步的研究。

1.防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的設計過程

雖然在不同負載類型下應用的永磁同步電機，其具體的工況不盡相同，但是基本的電機設計理念是一致的，主要的問題均都集中在如何將低頻轉矩脈動得以有效的消除之上。所以，對于低速高扭矩的永磁同步電動機而言，其設計關鍵應該在于如何進一步消除諧波引發的轉矩脈動問題。通常情況下，非正弦氣隙磁場會引發轉矩的波動，因此在設計低速扭矩電動機或者是高扭矩電動機時，都應該盡可能的確保氣隙磁場為正弦。

在設計低速直驅永磁同步電機時，其研究熱點應該放在如何選擇轉子磁路結構上，如何優化極槽配合上，如何抑制齒槽轉矩上，如何提升轉矩密度上等諸多方面。而不同的應用場合與不同的額定參數，恰恰決定了電動機在實際設計過程中應該選取的不同方案參數。為此，本文筆者將應用場合定位于礦用驅動設備之上，旨在設計一臺符合現場應用需求的防爆型低速永磁直驅三相同步電動機，并以一臺額定功率為160kW，額定轉速為60r/min，額定轉矩為25466N·m的隔爆型低速永磁直驅三相同步電動機為例，從上述幾個研究熱點進行優化改進，從而對電動機的性能加以優化，降低電動機的實際體積與成本。

具體而言，在低速直驅永磁同步電機的設計過程中，應使用多極結構，以此降低額定的同步轉速，并在大扭矩的前提下，進一步減少電動機額定電流，使得每極都能夠具備足夠強的激勵磁場。而勵磁面積又直接會影響到永磁體能夠提供的磁場強度，因此永磁直驅同步電機可以采取切向式結構。

2.永磁直驅三相同步電動機轉矩脈動的優化

眾所周知，轉矩脈動不僅會影響伺服系統的控制精確度，還會引發電機振動、機械噪聲等問題，甚至會直接影響到整個電動機的運行可靠性。所以，絕大多數應用場合需要的都是平滑的轉矩。而永磁直驅三相同步電動機之所以發生轉矩脈動問題，歸根結底還是因為齒槽轉矩與諧波電磁轉矩造成的。其中，齒槽轉矩可謂是永磁電動機的一種固有現象，當定制繞組中的電流為零時，永磁體與開槽定子鐵心之間相互作用下便會產生齒槽轉矩;而諧波電磁轉矩則是由于電壓諧波分量與電流諧波分量，這二者之間的互相作用產生諧波電磁轉矩。所以，有效的降低轉矩脈動，便要同時削弱齒槽轉矩與諧波電磁轉矩，這是永磁直驅三相同步電動機優化設計的關鍵所在。

受到電機定子表面開槽的影響，齒槽轉矩勢必會相應產生。這是因為永磁轉子的磁極與定子槽，如若處于不相等的前提下，主磁路的磁導率勢必會相應發生變化，電機的轉子更加傾向于在磁路磁導率最小的地方停止。而實際上電動機里面的永磁體始終會受到磁芯的吸引，也就使得各個永磁體之間會產生一種聯合性吸引力，轉子會停止在聯合吸引力為零的位置之上。如若轉子的角度旋轉相對較小，那么永磁體遠離初始的平衡位置之時，定子鐵心便會對永磁體產生吸引，而這個吸引力則會阻止轉子遠離平衡位置，并產生磁阻轉矩，阻止轉子的旋轉。齒槽轉矩隨磁極位置的具體變化情況，如圖1所示。由此可以清楚的看出，當磁極極間中線處于零點位置時，磁阻轉矩為零;而當轉子移開，磁極極間中線于零點位置偏離開，因磁阻的變化隨之產生磁阻轉矩，試圖將轉子重新拉回到平衡位置之上。為此不少參考資料也對此展開了相應的公式計算得出結論，即：具有相同槽數的分數槽繞組電機，其本身的基波齒槽轉矩的周期，為整數槽繞組電機的N倍，這就充分說明了使用分數槽繞組能夠有效降低齒槽轉矩。

齒諧波會造成點擊低頻轉矩脈動以及電磁噪聲等問題，因此通常情況下要想有效消除齒諧波往往會采取斜槽方法。然而由于永磁體的形狀通常都為長方體，使用轉子斜槽在一定程度上會加大永磁體的實際安裝難度。所以，多采取定子斜槽這種方法消除齒諧波。

而在多極低速永磁直驅同步電動機的設計過程中，由于對定子槽的數目有著一定的限制，無法使用整數分布繞組的方式，對反電勢形諧波加以削弱。因此，最為理想的選擇應該是真分數槽集中繞組。

所以，本文設計研究的防爆型低速永磁直驅三相同步電動機，其定子繞組可采取集中分數槽繞組方式，電機繞組可以采取雙層疊繞組。

3.永磁同步電動機的轉子結構優化設計

對于永磁電機而言，其本身性能的優劣在很大程度上直接受到轉子結構參數的決定，具體包括：選取合適的轉子磁路結構，選取合適的極弧系數、選取適合的磁性材料，做好轉子的隔磁優化等。

首先，按照不同的安裝形式可以將永磁電機的磁極形式分為兩種，即表面式、內置式;按照永磁體的不同激勵方式，還可以將將永磁電機的磁極形式分為徑向結構、切向結構、混合式，這三種。由于在直驅永磁同步電機中，其本身的極數相對較多，混合式的工藝與設計相對復雜，實際應用也相對較少。

其次，選擇不用的磁極電弧系數往往會影響到電樞繞組的電磁場波形以及電機的輸出。所以，在低速大扭矩驅動系統的設計過程中，永磁同步電機要想消除諧波對電樞繞組電磁場波形產生的影響，可以從極弧系數的合理選擇入手。為此，結合電機理論，可以用傅立葉極數分解將矩形波磁密度分布分解為空間諧波，即：

公式中：Bm表示氣隙磁密幅值;k表示諧波次數，為奇數;θe為沿氣隙圓周的電弧度。

如若此時通過對漏磁小大的適當調整，對極弧系數進行合適的選擇，使得氣隙磁密波形呈現出準梯形的分布態勢時，那么則可以借助Fourier級數進行分解，使其成為空間隔磁諧波，即：

公式中：α為主磁極極弧短距角的一般。

通過公式1與公式2的比較，可以清楚的看到公式2是公式1的sin kα/kα倍，這也就說明了對于削弱基波而言，僅為sin α/α倍，當α≤π/6時，其數值幾近于1;而對于各次諧波卻只能減少為1/k倍，這完全可以通過kα=π，對某一鐵定諧波進行消除。所以，結合電機理論得出結論，通過三相對稱繞組的連接，可以消除能過被3整除的奇次諧波。因此，永磁直驅同步電機的設計過程中，5次與7次諧波應該是最值得關心的，最為理想的選擇應該為：。

最后，隨著釹鐵硼永磁體能量密度的顯著提升，釹鐵硼儼然已經成為電機設計過程中首選的永磁材料。需要注意的是永磁體的環境溫度與磁密有著密切聯系，所以在計算永磁體時，也要對其工作溫度時的性能予以計算。本文選用N38SH型號的永磁體，其具體性能見表1所示。

4.永磁電機電磁方案的優化設計

選取與匹配定轉子的參數，可謂是永磁電機電磁方案優化設計的主要內容所在。因此，在電機的實際設計過程中，就必須要根據實際的要求與額定的參數，對電機的定轉子沖片尺寸進行合理的設計。

在定子槽數的確定上，因本次設計研究的電機，其額定轉速為60r/min，電機的運行效率最好選擇為20HZ以上，以便于更好的滿足多級少槽電機的實際設計特點。所以，在綜合了電機的實際尺寸以及諧波削弱，繞組因數高度等情況下，可確定40級48槽最為適合。

在定子槽型的實際設計過程中，為了確保定子鐵心能夠擁有足夠的強度，有效減少附加損耗，定子沖片槽形的寬度尺寸與定子齒距尺寸，二者之間的比值必須小于0.55，且沖片軛部的高度不得低于0.6倍的槽深，可將定子槽口的高度設置為1.5。而為了提高定子槽的實際利用率，保證定子齒部磁密均勻，避免出現局部飽和現象，在確保電磁性能的前提下，可以采取梨形槽，平行齒這種形式。

正是因為氣隙尺寸能夠對漏磁加以控制，能夠有效減少磁鋼的用量，進而大大降低電機的制造成本。所以，根據以往的電機設計經驗以及相關參考文獻的計算程序驗證，本文電機設計選擇的氣隙尺寸為1.5mm，相應的磁極結構采取2倍不均勻氣隙設計。

由于設計的永磁直驅同步電動機屬于少槽多級結構，為了獲得更打的勵磁面積，可采取切向式結構，以及非導磁隔磁環這種隔磁措施。

做好極槽配合、定子槽型、氣隙尺寸等相關參數的確定，可利用Matlab路算法經過反復的迭代計算，得出最優的電磁設計方案。

5.防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的電磁建模與試驗

通過有限元法建設防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的電磁設計模型，在此之前應做出如下三點假設：第一，對磁場在定子圓周橫截面上的變化進行忽略，將電機磁場的實際分布等效看做二維場用來求解計算;第二，認定永磁體磁導率沿各個方向都是相同的;第三，對鐵心飽和影響進行忽略，認定鐵心材料各向都是同性的，B-H特性曲線為單值，為了盡可能的減少計算量，在建模時僅對八分之一的電機模型進行構建。

確定好防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的電磁設計方案以后，通過二維有限元計算模型，對空載工況、負載工況的相應磁場情況加以分析，對空載反電勢幅值、徑向氣隙磁密諧波寒含量展開分析，研究永磁電機削弱齒槽轉矩的方法，對仿真的有效性展開進一步驗證。

同時，還要對電機機殼、端蓋等，利用有限元軟件展開模態分析，得要相應的壓力數據與位移數據，以驗證本次電機設計的防爆性能，判斷電機機構是否合理。

結論：

本文首先闡述了防爆型低速永磁直驅三相同步電動機的設計思路與設計方法，之后根據永磁直驅三相同步電動機的應用場合，展開了一系列的理論分析，并且利用有限元模型以及Ansys禮學分析軟件，對電動機的各項闡述進行校核計算，以此對電機設計的可行性與優異性進行驗證。本次設計還存在許多的不足之處，僅供廣大同行參考借鑒。

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